Das Beste aus beiden Elektrolytwelten für eine bessere Lithium-Ionen-Batterie

Forscher tragen einen keramischen Leiter auf einen Polymerelektrolyten auf, um die Leitfähigkeit zu erhöhen

10.11.2023

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Lithium-Ionen-Batterien haben das Gerät angetrieben, auf dem diese Worte erscheinen. Von Telefonen und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen - Lithium-Ionen-Batterien sind für die Technologie der modernen Welt von entscheidender Bedeutung - aber sie können auch explodieren. Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus negativ und positiv geladenen Elektroden und einem Elektrolyten, der die Ionen über die Trennwand transportiert. Sie sind nur so gut wie die Grenzen ihrer Komponenten. Flüssige Elektrolyte sind bei hohen Temperaturen potenziell flüchtig, und ihre Effizienz kann durch Ungleichmäßigkeiten und Instabilitäten in den anderen Komponenten eingeschränkt werden.

Forscher arbeiten daran, sicherere und effizientere Batterien mit festen Elektrolyten zu entwickeln, was eine erhebliche Veränderung gegenüber der flüssigen Version darstellt, die derzeit in den meisten handelsüblichen Batterien die Ionen transportiert. Die Herausforderung besteht darin, dass jedes Festkörpermaterial ebenso viele Nachteile wie Vorteile hat, so ein Team am Shenzhen All-Solid-State Lithium Battery Electrolyte Engineering Research Center im Institute of Materials Research der Tsinghua Shenzhen International Graduate School.

Um dieses Rätsel zu lösen, kombinierten die Forscher zwei der wichtigsten Festkörperelektrolyt-Kandidaten - Keramik und Polymer - zu einem neuen Verbundelektrolyten.

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Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 21. September in Energy Materials and Devices.

"Komposit-Festkörperelektrolyte haben aufgrund ihrer kombinierten Vorteile als anorganische und polymere Elektrolyte große Aufmerksamkeit erregt", sagte Co-Erstautor Yu Yuan, der ebenfalls an der Tsinghua Shenzhen International Graduate School tätig ist. "Herkömmliche anorganische keramische Füllstoffe bieten jedoch aufgrund der Raumladungsschicht zwischen der Polymermatrix und der keramischen Phase nur eine begrenzte Verbesserung der Ionenleitfähigkeit für zusammengesetzte Festkörperelektrolyte."

Anorganische keramische Elektrolyte bieten eine hohe Leitfähigkeit, aber sie entwickeln einen Widerstand, wenn sie mit einem anderen Feststoff zusammenkommen, und sind kompliziert zu synthetisieren. Polymerelektrolyte sind einfacher herzustellen, flexibler und funktionieren besser mit Elektroden, aber ihre Leitfähigkeit bei Raumtemperatur ist für kommerzielle Anwendungen zu gering. Laut Yuan sollte die Kombination der beiden Elektrolyte einen hoch leitfähigen, flexiblen Elektrolyten ergeben, der leichter zu synthetisieren ist. In der Realität weisen die zusammengesetzten Festkörperelektrolyte jedoch nach dem Mischen eine Trennung - eine so genannte Raumladungsschicht - zwischen ihren Bestandteilen auf, die ihre Leitfähigkeit begrenzt.

Um dies zu korrigieren, verwendeten die Forscher Lithiumtantalat, dessen kristalline Struktur einzigartige optische und elektrische Eigenschaften aufweist, als funktionellen Füllstoff, um die Raumladungsschicht abzuschwächen. Das keramische Ionenleitermaterial ist ferroelektrisch, d. h. es kann die elektrische Ladung umkehren, wenn ein Strom angelegt wird.

"Der Füllstoff mildert nicht nur die Raumladungsschicht, sondern bietet auch einen zusätzlichen Lithium-Ionen-Transportweg", so der Mitautor Likun Chen, der ebenfalls an der Tsinghua Shenzhen International Graduate School tätig ist.

Die Forscher wiesen experimentell nach, dass der Lithiumtantalat-Füllstoff den Engpass für den Lithium-Ionen-Transport an der Polymer-Keramik-Grenzfläche beseitigt, was dazu führt, dass sich die Lithium-Ionen sowohl in größerer Zahl als auch mit höherer Geschwindigkeit durch den Elektrolyten bewegen.

Das Ergebnis, so die Forscher, ist ein Elektrolyt mit hoher Leitfähigkeit und einer langen Lebensdauer, die sich darauf bezieht, wie oft die Ionen bei Lade- und Entladezyklen durch die Batterie transportiert werden können - selbst bei niedrigen Temperaturen.

"Diese Arbeit schlägt eine neuartige Strategie für die Entwicklung integrierter keramischer Füllstoffe mit ferroelektrischen und ionenleitenden Eigenschaften vor, um einen hohen Durchsatz beim Lithium-Ionen-Transport von Komposit-Feststoff-Elektrolyten für fortschrittliche Lithium-Metall-Festkörperbatterien zu erreichen", so Yuan. "Unser Ansatz wirft ein Licht auf das Design von funktionalen keramischen Füllstoffen für Verbund-Festkörper-Elektrolyte, um die Ionenleitfähigkeit und die Batterieleistung effektiv zu verbessern."

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Originalveröffentlichung

Yu Yuan, Likun Chen, Yuhang Li, Xufei An, Jianshuai Lv, Shaoke Guo, Xing Cheng, Yang Zhao, Ming Liu, Yan-Bing He, Feiyu Kang; "Functional LiTaO ₃ filler with tandem conductivity and ferroelectricity for PVDF-based composite solid-state electrolyte"; Energy Materials and Devices

https://www.chemie.de/news/1181999/das-beste-aus-beiden-elektrolytwelten-fuer-eine-bessere-lithium-ionen-batterie.html